[논문]BTES 방식의 계간축열 시스템을 적용한 유리온실의 난방용 태양열시스템의 경제성 평가

박상미; 서태범

doi:10.7836/kses.2018.38.5.063

BTES 방식의 계간축열 시스템을 적용한 유리온실의 난방용 태양열시스템의 경제성 평가
Economic Evaluation of Glass Greenhouse Heating Solar Thermal System Applied with Seasonal Borehole Thermal Energy Storage System 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.38 no.5, 2018년, pp.63 - 74

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The heating performance of a solar thermal seasonal storage system applied to a 1,320 m2 glass greenhouse was analyzed numerically, and the economic feasibility depending upon the number of boreholes was evaluated. For this study, the gardening 16th and 19th zucchini greenhouse of Jeollanam-do agricultural research & extension services was selected. And the heating load of the glass greenhouse selected was 1,147 GJ. BTES(Borehole Thermal Energy Storage) was considered as a seasonal storage, which is relatively economical. The number of boreholes was selected from 25 to 150. The TRNSYS was used to predict and analyze the dynamic performance of the solar thermal system. Numerical simulation was performed by modelling the solar thermal seasonal storage system consisting of flat plate solar collector, BTES system, short-term storage tank, boiler, heat exchanger, pump and controller. As a result of the analysis, when the number of boreholes was from 25 to 50, the thermal efficiency of BTES system and the solar fraction was the highest. When the number of boreholes was from 25 to 50, it was analyzed that the payback period was from 5.2 years to 6.2 years. Therefore it was judged to be the number of boreholes of the proposed system was from 25 to 50, which is the most efficient and economical.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1 2017 Weather data in Gwangju
그림 Fig. 2 Calculated heating load
그림 Fig. 3 Simplified system schematic
그림 Fig. 4 TRNSYS modelling
표 Table 1 Type 1b parameter
표 Table 2 Type 557a parameter
표 Table 3 Type 60f parameter
그림 Fig. 5 Schematic heat balance for the system with BTES in 5th year
그림 Fig. 6 Energy injected into and extracted from BTES system in 5th year
표 Table 4 Summary of simulation results in 5th year
$Fig. 7 Heat efficiency of BTES system and solar fraction in 5th year$ 그림 Fig. 7 Heat efficiency of BTES system and solar fraction in 5th year
표 Table 5 Initial installation cost
표 Table 6 Summary of economic evaluation results

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 농가의 유리온실에 적용 가능한 Borehole 방식 태양열 계간축열 시스템을 모델링하고 Borehole 개수에 따른 시뮬레이션을 수행하여 저비용 및 고효율의 시스템 설계를 도출하고자 한다. Borehole 개수는 25~150개로 선정하였으며, Borehole 개수에 따른 태양열 계간축열 시스템에 대한 성능을 분석하고 비교하였다.
본 연구에서는 해석대상 유리온실과 비슷한 난방부하를 얻기 위해 2017년도 전라남도 광주의 기온과 난방도일을 활용하여 난방부하를 산출하였다. 난방도일의 기본온도는 18℃로 설정하였고, 1년 동안의 난방도일을 계산하여 식(1)을 통해 1,147 GJ의 총 연간 난방부하를 산출하였다¹²⁾.

가설 설정

제안된 시스템의 난방부하는 1,147 GJ로 33,866 Liter의 경유를 사용하여 연간 난방비용은 37,252,786원이다. 또한 투자비회수기간은 정부가 80%의 보조금을 지급하는 것을 가정하고, 유지보수를 제외한 초기 설치비용과 연간 비용절감을 이용하여 계산하였다. 정상상태의 축열 및 방열이 가능한 5년 이후부터의 투자비회수기간은 Borehole 개수가 25~50개일 때 5.

제안 방법

(1) 5년간의 시뮬레이션 수행을 통해 Borehole 개수에 따른 제안된 시스템의 성능을 분석하고 비교하였다. 해석결과, BTES 시스템의 전체 열효율과 태양 의존율은 Borehole 개수가 25개에서 50개로 증가할수록 높아지다가 50개 이상이 되면 BTES 시스템의 열손실로 인해 낮아지는 경향을 나타내었다.
(2) Borehole 개수가 25~50개일 때의 제안된 시스템의 경제성을 초기 설치비용과 연간 비용절감을 이용하여 평가하였다. 유지보수비용을 제외하고 정부가 80%의 보조금을 지급할 경우, 정상상태의 축열 및 방열이 가능한 5년 이후부터 Borehole 개수가 25~50개일 때 투자비회수기간은 5.
본 연구에서는 농가의 유리온실에 적용 가능한 Borehole 방식 태양열 계간축열 시스템을 모델링하고 Borehole 개수에 따른 시뮬레이션을 수행하여 저비용 및 고효율의 시스템 설계를 도출하고자 한다. Borehole 개수는 25~150개로 선정하였으며, Borehole 개수에 따른 태양열 계간축열 시스템에 대한 성능을 분석하고 비교하였다. 또한 초기 설치비용과 연간 비용절감을 이용하여 투자비회수기간을 계산하고 경제성을 평가하였다.
Borehole 방식 태양열 계간축열 시스템은 축열을 시작한 후, 약 3~5년 후부터 정상상태의 축열 및 방열이 가능하므로 5년간 시뮬레이션 수행을 통해 Borehole 개수에 따른 제안된 시스템의 성능을 분석하고 비교하였다⁶⁾.
단기 저장 축열조의 두 개의 입·출구와 내부열교환기는 각각 평판형 태양열집열기, BTES 시스템, 부하 측에 연결되도록 하였다.
. 따라서 본 연구에서는 TRNSYS 16 프로그램을 이용하여 평판형 태양열집열기(Flat plate solar collector), BTES 시스템, 단기 저장 축열조(Short-term storage tank), 보일러(Boiler), 열교환기(Heat exchanger), 펌프(Pump), 제어부(Controller)로 구성된 태양열 계간축열 시스템을 모델링하였다
Borehole 개수는 25~150개로 선정하였으며, Borehole 개수에 따른 태양열 계간축열 시스템에 대한 성능을 분석하고 비교하였다. 또한 초기 설치비용과 연간 비용절감을 이용하여 투자비회수기간을 계산하고 경제성을 평가하였다. 시뮬레이션은 시간에 따른 태양열시스템의 동적 성능 예측 및 해석을 위해서 TRNSYS 16 프로그램을 사용하여 수행하였다.
제안된 시스템은 평판형 태양열집열기로부터 태양열을 수집하여 열교환기를 통해 단기 저장 축열조에 저장되도록 하였고, 비난방기의 잉여 태양열은 BTES 시스템으로 이동되어 저장된 후, 난방기에 열이 추출되어 단기 저장 축열조에 저장되도록 하였다. 또한 축열량이 없거나 부족하면 보조열원에서 단기 저장 축열조로 열을 공급하도록 하였다.
본 연구에서는 1,147 GJ의 난방부하를 소비하는 농가의 유리온실에 적용 가능한 Borehole 방식 태양열 계간축열 시스템을 모델링하고 Borehole 개수에 따른 시뮬레이션을 수행하여 성능 분석 및 경제성 평가를 하였다. 시간에 따른 태양열시스템의 동적 성능 예측 및 해석을 위해 TRNSYS 16 프로그램을 이용하였고, 평판형 태양열집열기, BTES 시스템, 단기 저장 축열조, 보일러, 열교환기, 펌프, 제어부로 구성된 태양열 계간축열 시스템을 모델링하였다.
본 연구에서는 1,147 GJ의 난방부하를 소비하는 농가의 유리온실에 적용 가능한 Borehole 방식 태양열 계간축열 시스템을 모델링하고 Borehole 개수에 따른 시뮬레이션을 수행하여 성능 분석 및 경제성 평가를 하였다. 시간에 따른 태양열시스템의 동적 성능 예측 및 해석을 위해 TRNSYS 16 프로그램을 이용하였고, 평판형 태양열집열기, BTES 시스템, 단기 저장 축열조, 보일러, 열교환기, 펌프, 제어부로 구성된 태양열 계간축열 시스템을 모델링하였다. 시스템을 구성하는 장비의 변수들로 인한 계산량을 감소시키기 위해 평판형 태양열집열기의 면적을 861 m²으로 고정하였고, Borehole 개수가 제안된 시스템의 성능에 미치는 영향만 계산하였다.
시간에 따른 태양열시스템의 동적 성능 예측 및 해석을 위해 TRNSYS 16 프로그램을 이용하였고, 평판형 태양열집열기, BTES 시스템, 단기 저장 축열조, 보일러, 열교환기, 펌프, 제어부로 구성된 태양열 계간축열 시스템을 모델링하였다. 시스템을 구성하는 장비의 변수들로 인한 계산량을 감소시키기 위해 평판형 태양열집열기의 면적을 861 m²으로 고정하였고, Borehole 개수가 제안된 시스템의 성능에 미치는 영향만 계산하였다. 연구의 결론은 다음과 같다.
4는 TRNSYS 모듈 구성도이다. 제안된 시스템은 평판형 태양열집열기로부터 태양열을 수집하여 열교환기를 통해 단기 저장 축열조에 저장되도록 하였고, 비난방기의 잉여 태양열은 BTES 시스템으로 이동되어 저장된 후, 난방기에 열이 추출되어 단기 저장 축열조에 저장되도록 하였다. 또한 축열량이 없거나 부족하면 보조열원에서 단기 저장 축열조로 열을 공급하도록 하였다.
평판형 태양열집열기는 Type 1b(Quadratic efficiency collector)를 사용하여 모델링하였고, 남향 45° 표면 기울기를 가지도록 하였다15).

대상 데이터

BTES 시스템은 Type 557a (Vertical U-tube ground heat exchanger)를 사용하여 모델링하였고, Borehole의 Header depth는 1.2 m이고 개수는 25~150개로 선정하였다¹⁷⁾. 기타 자세한 제원은 Table 2에 나타내었다.
단기 저장 축열조는 두 개의 유입 및 유출흐름을 허용하는 Type 60f (Vertical cylinder storage tank)를 사용하여 모델링하였고, 자세한 제원은 Table 3에 나타내었다¹⁵⁾. 여기서 Height of flow inlet-1과 Height of flowoutlet-1은 단기 저장 축열조의 하단부터 BTES 시스템과 연결된 입·출구의 높이이고, Height of flow inlet-2와 Height of flow outlet-2는 단기 저장 축열조의 하단부터 평판형 태양열집열기와 연결된 입·출구의 높이를 말한다.
Borehole 개수가 25~50개일 때 제안된 시스템의 경제성을 평가하고 그 결과를 Table 6에 나타내었다. 제안된 시스템의 난방부하는 1,147 GJ로 33,866 Liter의 경유를 사용하여 연간 난방비용은 37,252,786원이다. 또한 투자비회수기간은 정부가 80%의 보조금을 지급하는 것을 가정하고, 유지보수를 제외한 초기 설치비용과 연간 비용절감을 이용하여 계산하였다.
해석대상 유리온실은 각 576 GJ의 난방부하를 소비하는 전라남도농업기술원의 원예 16번동과 19번동의 애호박 재배온실을 선정하였고, 온실면적은 총 1,320 m²이며 온실온도는 16~18℃로 유지된다.
해석대상 유리온실의 기상자료는 2017년도 전라남도 광주의 기상관측자료를 활용하였다. Fig.

데이터처리

또한 초기 설치비용과 연간 비용절감을 이용하여 투자비회수기간을 계산하고 경제성을 평가하였다. 시뮬레이션은 시간에 따른 태양열시스템의 동적 성능 예측 및 해석을 위해서 TRNSYS 16 프로그램을 사용하여 수행하였다.

이론/모형

. 또한 집열 효율식은 SRCC^TM에서 인증된 Enerworks 社의 식(2)을 사용하였으며, 기타 자세한 제원은 Table 1에 나타내었다¹⁶⁾.

성능/효과

BTES 시스템의 전체 열효율과 태양 의존율은 Borehole 개수가 25개에서 50개로 증가할수록 높아지다가 50개 이상부터 낮아지는 경향을 나타내었다. 이는 Borehole 개수가 적정 개수 이상이 되면 Borehole 개수에 따른 열손실이 증가하여 낮아지는 것으로 보인다.
이는 Borehole 개수가 적정 개수 이상이 되면 Borehole 개수에 따른 열손실이 증가하여 낮아지는 것으로 보인다. 따라서 1,147 GJ의 난방부하를 충족시키기 위해서는 BTES 시스템의 전체 열효율과 태양 의존율이 높은 25~50개 사이의 Borehole 개수가 적합함을 확인할 수 있다.
해석결과, BTES 시스템의 전체 열효율과 태양 의존율은 Borehole 개수가 25개에서 50개로 증가할수록 높아지다가 50개 이상이 되면 BTES 시스템의 열손실로 인해 낮아지는 경향을 나타내었다. 따라서 BTES시스템의 전체 열효율과 경제성을 고려하여 총 연간 난방수요를 충족시키기 위해서는 25~50개 사이의 Borehole 개수가 적합함을 확인할 수 있다.
BTES 시스템의 경우 국내 설계 및 시공 사례에 대한 체계적인 데이터가 미흡하여 견적을 받기 힘든 실정이므로 외국 사례를 바탕으로 초기 설치비용을 계산하여 다소 높게 측정되었을 수 있다. 태양열 계간축열 시스템의 초기 설치비용을 산정한 결과, Borehole 개수가 25~50개일 때 756,386,000~949,729,000원임을 확인할 수 있다.
(1) 5년간의 시뮬레이션 수행을 통해 Borehole 개수에 따른 제안된 시스템의 성능을 분석하고 비교하였다. 해석결과, BTES 시스템의 전체 열효율과 태양 의존율은 Borehole 개수가 25개에서 50개로 증가할수록 높아지다가 50개 이상이 되면 BTES 시스템의 열손실로 인해 낮아지는 경향을 나타내었다. 따라서 BTES시스템의 전체 열효율과 경제성을 고려하여 총 연간 난방수요를 충족시키기 위해서는 25~50개 사이의 Borehole 개수가 적합함을 확인할 수 있다.
해석대상 유리온실에서 소비하는 총 연간 난방부하는 1,152 GJ이고, 2017년도 전라남도 광주의 기온과 난방도일을 통해 산출된 총 연간 난방부하는 1,147 GJ로 유사한 값을 얻어낼 수 있었다. Fig.

후속연구

. 또한 독자적인 태양열 계간축열 시스템의 설계기술 및 적용기술이 미흡한 수준이므로 지속적인 실증 연구를 통한 태양열 계간축열 시스템의 설계기술 확보와 적용 확대가 필요하다.
본 연구 결과를 기반으로 향후 각 TRNSYS 모듈의 Parameter값과 Input값을 조정함으로써 시뮬레이션의 정확도와 태양열 계간축열 시스템의 성능을 향상시키고, 현장 실증 실험을 수행하여 예측데이터와 실제 측정데이터에 대한 비교를 통해 신뢰성을 검증할 예정이다. 또한 이를 통해 본 연구에서 제안된 시스템이 저비용 및 고효율의 태양열 계간축열 시스템을 설계하고 분석하는데 유용하게 사용되었으면 한다.
본 연구 결과를 기반으로 향후 각 TRNSYS 모듈의 Parameter값과 Input값을 조정함으로써 시뮬레이션의 정확도와 태양열 계간축열 시스템의 성능을 향상시키고, 현장 실증 실험을 수행하여 예측데이터와 실제 측정데이터에 대한 비교를 통해 신뢰성을 검증할 예정이다. 또한 이를 통해 본 연구에서 제안된 시스템이 저비용 및 고효율의 태양열 계간축열 시스템을 설계하고 분석하는데 유용하게 사용되었으면 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양열시스템의 단점은?	태양열 기술은 에너지 저장 밀도와 에너지 변환 효율이 높아 실생활 및 산업전반 분야에서 다양하게 활용되고 있으며, 태양열시스템의 경우 2010년 기준으로 전 세계의 7천만 가정이 온수 공급을 통해 에너지 절약을 하고 있어 냉·난방분야와 산업공정분야에 대한 관심도 높아지고 있는 추세이다2,3). 그러나 태양열시스템은 에너지 수요 및 공급의 시간적 불일치 문제와 소규모 시스템으로는 경제성이 부족하여 많은 제약을 받고 있는 실정이다.4)
	태양열 계간축열 시스템은 태양열 개별 시스템과 비교하였을 때 유리한 점은 어떠한 점인가?	현재 태양열 계간축열 시스템은 실험용, 상업용 및 지역난방용 등 다양하게 보급되고 있으며, 개별난방뿐만 아니라 지역난방으로 공급되는 건물에 다양한 시스템 구성으로 기존열원과의 연계가 가능하여 더욱 활발히 보급될 것으로 전망되고 있다9). 또한 태양열 개별 시스템과 비교하여 경제성이 50%정도 향상될 뿐만 아니라 건물부하의 태양 의존율을 50~80%까지 증대할 수 있어 효율성 및 경제성이 높은 시스템이라 평가되고 있다10).
	태양열 기술의 긍정적인 의의는?	태양열 기술은 에너지 저장 밀도와 에너지 변환 효율이 높아 실생활 및 산업전반 분야에서 다양하게 활용되고 있으며, 태양열시스템의 경우 2010년 기준으로 전 세계의 7천만 가정이 온수 공급을 통해 에너지 절약을 하고 있어 냉·난방분야와 산업공정분야에 대한 관심도 높아지고 있는 추세이다2,3). 그러나 태양열시스템은 에너지 수요 및 공급의 시간적 불일치 문제와 소규모 시스템으로는 경제성이 부족하여 많은 제약을 받고 있는 실정이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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